EP2824464A1

EP2824464A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Strommessung an einem Umrichter

Info

Publication number: EP2824464A1
Application number: EP14166947.3A
Authority: EP
Inventors: Christian Brendel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2014-05-05
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2034-05-05
Also published as: US9835656B2; DE102013213508A1; US20150015235A1; EP2824464B1; ES2684597T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strommessung an einem Umrichter, wobei am Ausgang des Umrichters (U) von Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') der jeweilige Phasenstrom (i j ) bestimmt wird, um diesen einer dem Umrichter (U) zugeordneten Regeleinrichtung zuzuführen. Dabei wird der jeweilige, an einem Ausgang des Umrichters (U) zu ermittelnde Phasenstrom (i j ) unabhängig an zwei Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') gemessen, und zur Bestimmung des jeweiligen Phasenstromes werden die Messergebnisse beider Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') herangezogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strommessung an einem Umrichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine hierfür vorgesehene Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Hierbei wird an den Ausgängen des Umrichters von Strommesseinrichtungen der jeweilige Phasenstrom gemessen, um diesen einer dem Umrichter zugeordneten Steuer- oder Regeleinrichtung zuführen zu können.
Über einen Umrichter, an dessen Ausgängen vorliegend die Phasenströme gemessen werden sollen, kann z.B. ein Elektromotor betrieben werden, welcher derart angesteuert wird, dass mit einer dem Elektromotor zugeordneten Werkzeugmaschine oder anderen industriellen Installationen eine bestimmte, vorgegebene Sollwertposition erreicht wird. Hierfür ist der Elektromotor (an jeder seiner Phasen) derart mit Strom zu versorgen, dass der Versorgungsstrom mit dem zum Erreichen der Sollwertposition erforderlichen Soll-Strom korrespondiert. Dies erfordert wiederum eine hochgenaue Messung der einzelnen Phasenströme an den Ausgängen des Umrichters, über den der Elektromotor betrieben wird, um die Phasenströme so einstellen zu können, dass deren Ist-Werte dem jeweiligen Sollwert des Phasenstromes entsprechen.
Für eine ausführliche Diskussion dieser Problematik sei auf die WO 2012/028 390 A2 verwiesen, wo diesbezüglich ein bestimmtes Zusammenwirken zwischen Mitteln zum Messen der Phasenströme eines Elektromotors und weiteren Komponenten der Regelschaltung eines Elektromotors angegeben ist.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen Mitteln eine hochgenaue Strommessung an den Ausgängen eines Umrichters zu ermöglichen.
Dieses Problem wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Danach wird der jeweilige, an einem Ausgang des Umrichters zu ermittelnde Phasenstrom unabhängig an mindestens zwei, insbesondere genau zwei Strommesseinrichtungen gemessen, die insbesondere parallel zueinander angeordnet sind, wobei zur Bestimmung des jeweiligen Phasenstromes die Messergebnisse beider (aller) Strommesseinrichtungen herangezogen werden. Dies kann beispielsweise in der Weise erfolgen, dass die an den Strommesseinrichtungen gewonnenen Messwerte des Phasenstromes (gegebenenfalls gewichtet) gemittelt werden.
Durch die Bestimmung der Phasenströme aufgrund der Messwerte (mindestens) zweier Strommesseinrichtungen, insbesondere durch Mittelung der an den Strommesseinrichtungen für den jeweiligen Phasenstrom gewonnenen Messwerte, lässt sich das Signal-Rausch-Verhältnis des aus der Mittelung oder sonstigen Verarbeitung der einzelnen Strommesswerte resultierenden Ergebnisses für den jeweiligen Phasenstrom erhöhen, was zu einer erhöhten Präzision bei der Bestimmung der Phasenströme führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich bei beliebigen Mehrphasensystemen angewandt werden. Es ist insbesondere geeignet zur Anwendung bei dem in der Praxis häufigsten Fall, nämlich einem Dreiphasensystem.
Bevorzugt sind die mindestens zwei Strommesseinrichtungen aus den gleichen Komponenten aufgebaut und greifen in derselben Weise auf den jeweils zu messenden Phasenstrom zu, so dass der zu messende Phasenstrom in einfacher Weise durch Mittelung der an den einzelnen Strommesseinrichtungen hierfür gewonnenen Messwerte bestimmt werden kann.
Zur Strommessung mittels einer jeweiligen Strommesseinrichtung kann insbesondere eine Messspannung verarbeitet werden, die in Abhängigkeit von dem jeweils zu messenden Phasenstrom an einem der Strommesseinrichtung zugeordneten (im Strompfad liegenden) Widerstand abfällt. Eine Strommessung durch Verarbeitung einer Messspannung, die in Abhängigkeit von dem am jeweiligen Ausgang des Umrichters fließenden Strom an einem Widerstand der Strommesseinrichtung (sogenannter "Shunt-Widerstand" bzw. Messwiderstand) abfällt, wird z. B. in der DE 102 37 920 B3 beschrieben.
Mit der hochpräzisen Strommessung soll es insbesondere auch ermöglicht werden, sogenannte Offset- und/oder Verstärkungsabweichungen sehr genau zu ermitteln. Ein Offset-Fehler liegt vor, wenn der von einer Strommesseinrichtung gemessene Wert gegenüber dem tatsächlichen Strom um einen bestimmten Betrag (= Offset) verschoben ist. Und eine Verstärkungsabweichung liegt vor, wenn der Verstärkungsfaktor einer Strommesseinrichtung von dem Sollfaktor abweicht.
Zur Berücksichtigung derartiger Offset- und Verstärkungsabweichungen werden die Strommesseinrichtungen kalibriert. Zur Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung kann eine Kalibrierspannung genutzt werden, die separat von der Messspannung erzeugt wird, welche in Abhängigkeit von dem jeweils zu messenden Phasenstrom an einem der Strommesseinrichtung zugeordneten Widerstand abfällt. Hierzu können einer jeweiligen Strommesseinrichtung Umschaltmittel, z. B. in Form von Schaltern oder in Form eines Multiplexers, zugeordnet sein, mittels derer wahlweise die Messspannung oder die Kalibrierspannung einer Verarbeitung in der Strommesseinrichtung zugeführt wird.
Ein Messfehler in Form eines Offset-Fehlers lässt sich sehr einfach dadurch bestimmen, dass die Kalibrierspannung auf einen definierten Wert, insbesondere gleich Null, gesetzt und sodann ermittelt wird, ob eine durch Verarbeitung der Kalibrierspannung in der Strommesseinrichtung erzeugte resultierende Spannung einen von dem vorgegebenen Spannungswert, insbesondere vor dem Spannungswert Null, verschiedenen Wert hat. Dies weist auf einen Offset-Fehler hin, der entsprechend zu kompensieren ist.
Zur Bestimmung eines Messfehlers in Form einer sogenannten Verstärkungsabweichung (Verstärkungsfehler), also einer Abweichung des Verstärkungsfaktors in einer jeweiligen Strommesseinrichtung vom Sollfaktor, wird vorteilhaft eine (definierte) Kalibrierspannung mit einem Wert ungleich Null vorgegeben. Insbesondere wenn zuvor ein möglicher Offset-Fehler bereits ermittelt und kompensiert bzw. korrigiert worden ist, lässt sich dann der tatsächliche Verstärkungsfaktor in einfacher Weise als Quotient aus der an der Strommesseinrichtung ermittelten Spannung und der Kalibrierspannung bestimmen und so eine Abweichung vom Sollwert des Verstärkungsfaktors ermitteln und korrigieren bzw. kompensieren.
Weiter ist zu berücksichtigen, dass die Offset- und Verstärkungsabweichungen einer Strommesseinrichtung sich mit der Zeit ändern können, es also nicht genügt, zur Kompensation bzw. Korrektur derartiger Fehler eine Strommesseinrichtung lediglich einmalig vor bzw. bei Inbetriebnahme zu kalibrieren. So können äußere Einflüsse, wie z. B. die Temperatur, zu einer Änderung von Offset- und Verstärkungsabweichungen führen. Es ist daher zweckmäßig, eine jeweilige Strommesseinrichtung wiederkehrend (z. B. zu bestimmten, vorgebbaren Zeitpunkten) zu kalibrieren, so dass auch im Messbetrieb eine (laufende, wiederkehrende) Kompensation bzw. Korrektur von Messfehlern, insbesondere von Offset- und Verstärkungsabweichungen, an den einzelnen Strommesseinrichtungen möglich ist.
Vorliegend ist es in einfacher Weise möglich, eine Kalibrierung der Strommesseinrichtungen im laufenden Messbetrieb vorzunehmen, und zwar insbesondere bei fortlaufender Bereitstellung von Messwerten für die einzelnen Phasenströme an den Ausgängen des Umrichters. Da einem jeweiligen Ausgang des Umrichters zur Ermittlung des zugehörigen Phasenstromes mindestens zwei Strommesseinrichtungen zugeordnet sind, die den Phasenstrom unabhängig voneinander (in separaten Kanälen) bestimmen, können die einem jeweiligen Ausgang des Umrichters zur Messung des dortigen Phasenstromes zugeordneten Strommesseinrichtungen abwechselnd kalibriert werden. D. h., während eine der Strommesseinrichtungen kalibriert wird, und hierzu beispielsweise mit einer Kalibrierspannung beaufschlagt wird, misst mindestens eine andere, demselben Ausgang des Umrichters und damit demselben Phasenstrom zugeordnete Strommesseinrichtung weiterhin den aktuell anliegenden Phasenstrom.
Die typische Dauer eines Kalibriervorganges der hier maßgeblichen Art beträgt ca. 1 ms. Der zeitliche Abstand aufeinander folgender Kalibrierungen, um Änderungen äußerer Einflüsse, wie z. B. der Systemtemperatur, berücksichtigen zu können, liegt demgegenüber vorteilhaft in der Größenordnung von 1 s oder mehr.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann an den einzelnen Strommesseinrichtungen der Messbereich umgeschaltet werden, und zwar zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Messbereichen. Hiermit lässt sich das Signal-Rausch-Verhältnis der Strommessung weiter verbessern.
So geht es in bestimmten Anwendungen eines Umrichters, bei denen dieser zur Bestromung eines Elektromotors eingesetzt wird, darum, Objekte einerseits sehr schnell bewegen zu können, andererseits aber eine bestimmte Sollposition (Endposition) präzise zu erreichen. Dies ist beispielsweise der Fall bei Elektromotoren, die in sogenannten "Wafersteppern" eingesetzt werden. Für die schnelle Bewegung eines Objektes mittels des Umrichters und des zugeordneten Elektromotors müssen große Ströme präzise geregelt werden, während beim Erreichen der Endposition vergleichsweise kleinere Ströme hochgenau einzustellen sind. Hierfür kann es vorteilhaft sein, den Messbereich der Strommesseinrichtungen ändern zu können, um ihn gezielt an die Anforderungen einer jeweiligen Bewegungsphase anzupassen.
Hierzu ist es erforderlich, die Messbereichsumschaltung einer jeweiligen Strommesseinrichtung im laufenden Betrieb vornehmen zu können, und zwar insbesondere in der Weise, dass dies nicht zu einer Unterbrechung der Messung der einzelnen Phasenströme des Umrichters führt. Dies lässt sich erreichen, indem von den mindestens zwei einem jeweiligen Ausgang des Umrichters (und damit einem jeweiligen Phasenstrom) zugeordneten Strommesseinrichtungen zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils nur an einer eine Messbereichsumschaltung vorgenommen wird, während mindestens eine weitere Strommesseinrichtung weiterhin den am jeweiligen Ausgang des Umrichters anliegenden Phasenstrom misst.
Die Umschaltung des Messbereichs einer Strommesseinrichtung wird dadurch eingeleitet, dass zunächst die von dieser Strommesseinrichtung erzeugten Messdaten bei der Ermittlung des resultierenden Wertes für den Phasenstrom ignoriert werden und lediglich die auf jenen Phasenstrom bezogenen Messwerte der mindestens einen weiteren Strommesseinrichtung berücksichtigt werden. Sodann wird der Messbereich der erstgenannten Strommesseinrichtung umgeschaltet und die Einschwingzeit abgewartet. Erst dann werden auch die Messdaten dieser Strommesseinrichtung wieder bei der Ermittlung des resultierenden Phasenstromes berücksichtigt.
Bei korrekter Kalibrierung der Strommesseinrichtungen erfolgt das Umschalten des Messbereichs ohne einen erkennbaren Sprung in den Messdaten. Hierzu ist es vorteilhaft, die bei der Kalibrierung der Strommesseinrichtung verwendete Referenzspannung so zu wählen, dass sie für beide Messbereiche angewendet werden kann. D. h., die Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung erfolgt - sowohl bei Inbetriebnahme als auch im Messbetrieb - jeweils unter Verwendung der gleichen Referenzspannungen in den unterschiedlichen Messbereichen, insbesondere zwei Messbereichen. Hierfür wird die Referenzspannung vorteilhaft so gewählt, dass sie bezogen auf den vergleichsweise empfindlichsten (kleinsten) Messbereich in der Nähe von dessen Bereichsgrenze liegt.
Nach erfolgter Umschaltung einer Strommesseinrichtung kann sodann in entsprechender Weise der Messbereich der mindestens einen weiteren Strommesseinrichtung umgeschaltet werden, die demselben Ausgang des Umrichters und damit dem entsprechenden Phasenstrom zugeordnet ist.
Eine Vorrichtung zur Strommessung an einem Umrichter, die insbesondere auch zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, ist durch die Merkmale des Anspruchs 15 charakterisiert. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den von Anspruch 15 abhängigen Ansprüchen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:

Fig. 1: einen Umrichter mit einer Mehrzahl Ausgängen zum Betrieb eines Motors, an dessen Ausgängen jeweils Mittel zur Strommessung vorgesehen sind;
Fig. 2: einen möglichen Aufbau der Mittel zur Strommessung aus Figur 1;
Fig. 3: eine schematische Darstellung unterschiedlicher Messbereiche der Mittel zur Strommessung;
Fig. 4: eine Abwandlung der Anordnung aus Figur 2.

In Figur 1 ist ein Umrichter U dargestellt, der eine Mehrzahl Ausgänge ("Phasenausgänge") aufweist, an denen im Betrieb des Umrichters jeweils ein Strom i₁, i₂, i₃ ("Phasenstrom") fließt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein sogenanntes dreiphasiges System mit drei Ausgängen des Umrichters U und dementsprechend drei Ausgangs- bzw. Phasenströmen i₁, i₂ und i₃. Der Umrichter U dient hier zum Betrieb eines Elektromotors M, dem die an den Ausgängen des Umrichters U anliegenden Ströme i₁, i₂, i₃ zugeführt werden.
Weiterhin sind an den Ausgängen des Umrichters U jeweils Mittel zur Strommessung A₁, A₂, A₃ angeordnet, mit denen der am jeweiligen Ausgang anliegende Strom i₁, i₂, i₃ ermittelbar ist. D. h., jeweilige Mittel zur Strommessung A₁, A₂ und A₃ dienen jeweils zur Ermittlung des vom zugehörigen Ausgang des Umrichters U zum Elektromotor M fließenden Stromes i₁, i₂ bzw. i₃.
Die von den Mitteln zur Strommessung A₁, A₂ und A₃ ermittelten Ströme können einer dem Umrichter U zugeordneten, vorliegend z. B. in den Umrichter U integrierten, Regeleinrichtung zugeführt werden, um hiermit die an den Ausgängen des Umrichters U anliegenden Ströme i₁, i₂ und i₃ regeln zu können. Die Summe der drei Phasenströme i₁, i₂, i₃ sollte dabei stets Null ergeben, da ansonsten ein unerwünschter Strom i_E gegen Erde fließt. Diese Bedingung kann zur Fehlererkennung herangezogen werden.
Ein möglicher Aufbau der Mittel zur Strommessung A₁, A₂ und A₃ ist in Figur 2 beispielhaft anhand eines Mittels zur Strommessung A_j dargestellt, das zur Ermittlung des Phasenstromes i_j an einem der Ausgänge des Umrichters U dient. Die Mittel zur Strommessung A_j umfassen einen Widerstand 1 (Mess- bzw. Shunt-Widerstand R_s, z. B. mit einem typischen Wert zwischen 100 µΩ und 100 mΩ), an dem eine von dem jeweils zu messenden Strom i_j abhängige Messspannung U_s abgegriffen werden kann. Diese wird mittels eines Verstärkers 4 verstärkt und als resultierender (analoger) Spannungswert U_A einem Analog-Digital-Umsetzer 5 zugeführt. Die hinter dem Analog-Digital-Umsetzer 5 anliegenden digitalen Spannungssignale m repräsentieren als Messwerte der Strommesseinrichtung 4, 5 den zu messenden Strom i_j ("Strommessung"). Das Prinzip einer solchen Strommesseinrichtung ist beispielsweise in der DE 102 37 920 B3 beschrieben.
Vorliegend beschränken sich die Mittel A_j zur Ermittlung eines jeweiligen Phasenstromes i_j jedoch nicht auf die Messung jenes Stromes i_j mittels einer Strommesseinrichtung 4, 5, sondern hierzu wird zusätzlich auch eine zweite, separat arbeitende Strommesseinrichtung 4', 5' verwendet. Diese zusätzliche Strommesseinrichtung 4', 5' weist im Ausführungsbeispiel den gleichen Aufbau auf und basiert auf baugleichen Komponenten wie die erstgenannte Strommesseinrichtung 4, 5.
Die zweite Strommesseinrichtung 4', 5' zur Ermittlung des Stromes i_j greift im Ausführungsbeispiel ebenfalls die an dem Widerstand 1 abfallende Messspannung U_s ab, welche sodann mittels eines Verstärkers 4' verstärkt und als resultierender (analoger) Spannungswert U_A' einem Analog-Digital-Umsetzer 5' zugeführt wird. Die hinter dem Analog-Digital-Umsetzer 5' anliegenden digitalen Spannungsmesswerte m' repräsentieren als Messwerte der Strommesseinrichtung 4', 5' ebenfalls den zu messenden Strom i_j.
Die beiden zur Bestimmung ein und desselben Phasenstromes i_j dienenden Strommesseinrichtungen 4, 5 und 4', 5' sind parallel zueinander geschaltet. Sie greifen auf dieselbe Messspannung U_R des Widerstandes 1 zu und liefern somit zwei unabhängige Messwerte U_A, U_A' bzw. m, m', welche die von dem zu messenden Strom i_j abhängige Messspannung U_R repräsentieren.
Durch Mittelung der von den Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' gewonnenen Messergebnisse lässt sich ein resultierender Wert für den Strom i_j ermitteln, und zwar mit einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis verglichen mit der Bestimmung des Stromes i_j unter Verwendung nur einer Strommesseinrichtung 4, 5.
Das Potential der Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' ist bezogen auf den Widerstand 1. Um die Potentialdifferenz zu einer nachgeordneten Steuerschaltung zu überwinden, über die mittels des Umrichters U beispielsweise ein Motor betrieben werden soll und deren Potential regelmäßig auf das Erdpotential bezogen ist, können Signalkoppler 6, 6' und DC-DC-Wandler 7 genutzt werden. Hierdurch lassen sich entsprechend korrigierte (digitale) Ausgangswerte n, n' der Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' bezogen auf Erdpotential erzeugen.
Zusammenfassend weisen die jeweiligen Mittel A_j zur Bestimmung des Phasenstromes i_j an einem Ausgang des Umrichters U jeweils zwei Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' auf, die unabhängig voneinander den Strom i_j messen, und zwar durch Verarbeitung derselben Messspannung U_R, welche von dem zu messenden Strom i_j abhängt. Aus den Messwerten der beiden Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' kann sodann durch Mittelung ein resultierender Wert des Stromes i_j ermittelt werden.
Im Betrieb solcher Mittel zur Strommessung kann es zu (systematischen) Messfehlern zum Beispiel dadurch kommen, dass sich der Verstärkungsfaktor α(t) und der Offset β(t) in der jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5; 4', 5' zeitlich ändern. Die durch Kalibrierung zu kompensierenden bzw. korrigierenden Messwertabweichungen entstehen insbesondere in der Messkette vom Widerstand 1 über den jeweiligen Verstärker 4, 4' zum Digital-Analog-Umsetzer 5, 5'. Hierbei handelt es sich überwiegend um Offset- und Verstärkungsabweichungen des jeweiligen Verstärkers 4, 4' sowie des jeweiligen Analog-Digital-Umsetzers 5, 5'.
Es gilt dabei: $U_{A} = U_{S} \cdot α (t) + β (t)$
Somit ist es erforderlich, die Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' (regelmäßig) zu kalibrieren, um Messfehler in Form von (zeitlich veränderlichen) Messwertabweichungen von den wahren Werten (für die zu messenden Ströme) zu kompensieren bzw. korrigieren zu können. Zur Kalibrierung sind dem Verstärker 4 bzw. 4' einer jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5; 4', 5' Umschaltmittel 3, 3' vorgeschaltet, über die dem Verstärker wahlweise die am Widerstand 1 abgegriffene Messspannung U_s oder eine Kalibrierspannung U_K zugeführt werden kann, um hieraus zunächst durch Verstärkung eine Spannung U_A bzw. U_A' und anschließend den entsprechenden digitalen Messwert m bzw. m' zu erzeugen.
Vorliegend werden die Umschaltmittel 3, 3' jeweils gebildet durch zwei Schalter 31, 32 bzw. 31', 32', in Abhängigkeit von deren Schaltposition entweder die Messspannung U_s oder eine Kalibrierspannung U_K am Verstärker 4, 4` der jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5 bzw. 4', 5' anliegt. Grundsätzlich wäre zur Umschaltung ein einzelner Schalter 32 bzw. 32' der jeweiligen Umschaltmittel 3, 3' ausreichend. Durch die Reihenschaltung zweier Schalter 31, 32 bzw. 31', 32' in den jeweiligen Umschaltmitteln 3, 3' lässt sich jedoch ein Signaldurchgriff deutlich verringern, was für eine Präzisionsmessung vorteilhaft ist.
Mittels eines weiteren Schalters 21 kann die Kalibrierspannung U_K entweder über eine Kalibrierquelle 2 auf einen Referenzwert U_ref oder auf Masse und damit den Wert 0V gesetzt werden.
Die Kalibrierung der Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' wird nachfolgend (zur Vereinfachung der Notation) beispielhaft anhand der einen Strommesseinrichtung 4, 5 beschrieben werden; sie gilt jedoch in gleicher Weise für die andere Strommesseinrichtung 4', 5'. Hierzu müssen bei den nachfolgenden Betrachtungen jeweils lediglich die Bezugszeichen und Messwerte durch ein "' ergänzt werden.
Zur Bestimmung einer Messwertabweichung in Form eines Offsets wird mittels der Kalibrierquelle 2 eine Kalibrierspannung U_K mit einem bestimmten, vorgebbaren Wert erzeugt, z. B. mit dem Wert U_K = 0V. Diese Kalibrierspannung U_K (z. B. mit dem Wert 0V) wird über die Umschaltmittel 3, 21 (anstelle der Messspannung U_s) auf den Eingang des Verstärkers 4 gegeben.
Aus dem obigen Zusammenhang U_A = UK · a(t) + β(t) folgt für den Fall U_K = 0: $U_{A} = β (t) .$
Somit ist der aktuelle (im Allgemeinen zeitabhängige) Wert des Offsets β(t) ermittelt als das aktuell am Ausgang des Verstärkers V anliegende (analoge) Spannungssignal U_A bzw. als entsprechender Digitalwert m.
Dies ermöglicht eine Kompensation bzw. Korrektur von Offset-Fehlern, indem von dem an der entsprechenden Strommesseinrichtung 4, 5 bei der Strommessung jeweils ermittelten Spannungswert U_A der zuvor ermittelte Offset β(t) abgezogen wird. Es liegt dann in dem hinter dem Verstärker V anliegenden Spannungswert U_A kein relevanter Offset mehr vor, so dass U_A nunmehr gegeben ist als U_A = U_K · a(t).
Wird nun in einer weiteren (zweiten) Messung eine Kalibrierspannung U_K mit einem von Null verschiedenen Referenzwert U_ref herangezogen (U_K = U_ref), so gilt: U_A = U_ref • α(t). Hieraus lässt sich der Momentanwert des Verstärkungsfaktors α(t) sofort bestimmen als $α (t) = \frac{U_{A}}{U_{ref}} .$
Mit nur zwei Messungen können also im Kalibrierbetrieb einer Strommesseinrichtung Aj unter Verwendung jeweils einer definierten Kalibrierspannung U_K, die vorliegend beispielhaft für die erste Messung gleich Null gesetzt wird und für die zweite Messung auf einen von Null verschiedenen Wert U_ref gesetzt wird, der zeitabhängige Offset β(t) sowie die zeitabhängige Abweichung des Verstärkungsfaktors α(t) bestimmt und anschließend bei der Ermittlung der (analogen) Spannungsmesswerte U_A bzw. der entsprechenden digitalen Werte n berücksichtigt, also kompensiert bzw. korrigiert werden.
Die Verwendung zweier unabhängiger (parallel geschalteter) Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' zur Ermittlung eines jeweiligen Phasenstromes i_j an den Ausgängen des Umrichters U ermöglicht dabei eine problemlose Kalibrierung der Strommesseinrichtungen nicht nur vor bzw. bei Inbetriebnahme sondern insbesondere auch im laufenden Messbetrieb, und zwar ohne dessen Unterbrechung. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil eine einmalige Kompensation bzw. Korrektur von Offset- und Verstärkungsabweichungen vor Inbetriebnahme des Systems, jedenfalls dann wenn hochpräzise Strommessungen verlangt werden, nicht ausreichend ist. Denn die Offset- und Verstärkungsabweichungen können sich mit der Zeit ändern, z. B. in Abhängigkeit von sich ändernden Umgebungsbedingungen, wie der Temperatur. Daher ist eine wiederkehrende Neukalibrierung der Strommesseinrichtungen, insbesondere in vorgegebenen zeitlichen Abständen, etwa im Bereich von 1 s, vorteilhaft.
Vorliegend kann die Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5 oder 4', 5' in einfacher Weise im laufenden Messbetrieb vorgenommen werden, indem abwechselnd jeweils nur eine der beiden Strommesseinrichtungen 4, 5 oder 4', 5' kalibriert wird, welche der Messung desselben Phasenstromes i_j dienen. D. h., während die eine Strommesseinrichtung 4, 5 kalibriert wird, misst die andere Strommesseinrichtung 4', 5' weiterhin den Strom i_j und umgekehrt. Lediglich eine Mittelung der Messergebnisse kann während der Kalibrierung selbstverständlich nicht vorgenommen werden.
Die Dauer eines Kalibriervorganges beträgt typischerweise weniger als 1 ms. Dies sind drei Größenordnungen weniger als ein zweckmäßiger zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Kalibrierungen, welcher bei etwa 1 s liegt. Damit ist im Messbetrieb die Kalibrierung einer der beiden Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' (zeitlich betrachtet) ein Ausnahmefall. Weit überwiegend stehen jeweils beide Strommesseinrichtungen 4, 5; 4', 5' zur Verfügung, um einen jeweiligen Phasenstrom i_j durch Mittelung über die Messwerte beider Strommesseinrichtungen 4, 5 und 4', 5' zu bestimmen.
Auch während der Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5 oder 4', 5' kann die Strommessung also fortgeführt werden; es entfällt lediglich die mit einer weiteren Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses verbundene Mittelung über zwei Messergebnisse.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist weiterhin eine Umschaltung zwischen verschiedenen Messbereichen einer jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5 bzw. 4', 5' vorgesehen, und zwar vorliegend konkret zwischen zwei Messbereichen. Diese Umschaltmöglichkeit dient einer weiteren Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei der Strommessung. So kann die Verwendung unterschiedlicher Messbereiche zur Strommessung zweckmäßig sein, wenn über den Umrichter U, an dessen Ausgängen die einzelnen Phasenströme gemessen werden sollen, ein Elektromotor angesteuert wird, mit dem bestimmte Objekte einerseits schnell bewegt und andererseits präzise in bestimmte Endpositionen überführt werden sollen. Während mit der schnellen Bewegung der Objekte das Erfordernis einer Regelung großer Ströme einhergeht, ist zum präzisen Erreichen vorgegebener Endpositionen eine hochgenaue Einstellung vergleichsweise kleiner Ströme notwendig. Durch eine Messbereichsumschaltung lassen sich die Strommesseinrichtungen an solch unterschiedliche Anforderungen anpassen.
Zur Umschaltung des Messbereichs einer jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5; 4', 5' ist vorliegend dem Verstärker 4 bzw. 4' der jeweiligen Strommesseinrichtung ein Schalter 41 bzw. 41' zugeordnet, mit dem sich dessen Verstärkung und damit im Ergebnis der Messbereich der jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5 bzw. 4', 5' umschalten lässt.
Zwei unterschiedliche Messbereiche einer Strommesseinrichtung sind in Figur 3 schematisch dargestellt, und zwar bezogen sowohl auf die gemessene Spannung U als auch bezogen auf den entsprechenden Strom I. Im ersten, kleineren Messbereich sind Spannungswerte zwischen U_max1 und -U_max1 bzw. entsprechende Stromwerte zwischen I_max1 und -I_max1 erfassbar. Im zweiten, größeren Messbereich liegen die Spannungswerte zwischen Umax2 und -Umax2 bzw. I_max2 und -I_max2.
Gemäß einem konkreten Beispiel kann etwa der Wert von I_max1 = 5.3 A und der Wert von I_max2 = 38 A betragen; dies entspricht Spannungen von 53 mV bzw. 380 mV bei einem Widerstand R von 10 mΩ.
Die Anordnung aus Figur 2 ermöglicht dabei eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Messbereichen nicht nur vor bzw. bei Inbetriebnahme des Systems sondern auch im laufenden Messbetrieb, und zwar ohne Unterbrechung der Strommessung. Hierzu wird bei der Umschaltung des Messbereichs einer der beiden Strommesseinrichtungen 4, 5 oder 4', 5' wie folgt vorgegangen:
Zunächst werden die Daten der umzuschaltenden Strommesseinrichtung (z.B. 4, 5) bei der Ermittlung des resultierenden Stromes ignoriert; d. h., die Ermittlung des resultierenden Stromes erfolgt nicht mehr durch Mittelung der Messwerte beider Strommesseinrichtungen 4, 5 und 4', 5', sondern es werden nur noch die Messwerte der aktuell nicht umzuschaltenden Strommesseinrichtung (z.B. 4', 5') herangezogen. Dann wird bei der hinsichtlich des Messbereichs einzustellenden Strommesseinrichtung die Verstärkung (mittels des hierfür vorgesehenen Schalters 41) umgeschaltet und die Einschwingzeit abgewartet. Erst dann werden die Messwerte der soeben umgeschalteten Strommesseinrichtung (4, 5) wieder zur Ermittlung des resultierenden Phasenstroms herangezogen.
Anschließend kann der Messbereich der anderen Strommesseinrichtung 4', 5' umgeschaltet werden, während nunmehr die eine Strommesseinrichtung 4, 5 weiterhin Messwerte für den zu ermittelnden Phasenstrom liefert.
Wird bei der Kalibrierung der Strommesseinrichtungen eine Referenzspannung U_ref verwendet, die für beide Messbereiche gilt, also innerhalb des ersten, kleineren Messbereiches liegt, so entsteht beim Umschalten des Messbereiches einer jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5 bzw. 4', 5' kein Sprung in den Messdaten (obwohl eine Umschaltung der Verstärkung einer jeweiligen Strommesseinrichtung 4, 5 bzw. 4', 5' zu einer anderen Offset-Verschiebung führt).
Sobald beide Strommesseinrichtungen 4, 5 und 4', 5' in den gewünschten neuen Messbereich umgeschaltet worden sind, werden zur Ermittlung des resultierenden Phasenstromes wiederum die Strommesswerte beider Strommesseinrichtungen 4, 5 und 4', 5' gemittelt.
Bei einer sehr präzisen Strommessung kann ein Messfehler dadurch entstehen, dass das Bezugspotential nicht überall in der Schaltung exakt gleich ist. Deshalb kann eine differentielle Messung notwendig sein, denn für eine Differenzspannung spielt das Bezugspotential keine Rolle. Figur 4 zeigt daher eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles aus Figur 2. Es besteht der Unterschied darin, dass die Anordnung aus Figur 4 auf der Grundlage einer differenziellen Signalführung arbeitet. D. h., von den Strommesseinrichtungen 4, 5 bzw. 4', 5' wird - im Unterschied zur Anordnung aus Figur 2 - nicht einfach die am Widerstand 1 abfallende Spannung U_S abgegriffen, sondern vielmehr eine Differenz dieser Spannung, wie in Figur 4 dargestellt. Die Umschaltmittel 3, 3' sowie die Strommesseinrichtungen 4, 5 und 4', 5' sind vom Aufbau her an diese differenzielle Signalführung angepasst. Im Übrigen stimmt die Anordnung aus Figur 4 mit der Anordnung aus Figur 2 überein.

Claims

Verfahren zur Strommessung an einem Umrichter, bei dem an den Ausgängen des Umrichters (U) von Strommesseinrichtungen der jeweilige Phasenstrom (i_j) bestimmt wird, um diesen einer dem Umrichter (U) zugeordneten Regeleinrichtung zuzuführen,
dadurch gekennzeichnet,
dass der jeweilige, an einem Ausgang des Umrichters (U) zu ermittelnde Phasenstrom (i_j) unabhängig von mindestens zwei Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') gemessen wird, wobei zur Bestimmung des jeweiligen Phasenstromes die Messergebnisse beider Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5'), an denen jeweils der eine Phasenstrom (i_j) gemessen wird, parallel zueinander geschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des resultierenden Wertes des Phasenstromes (i_j) die Messwerte der Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') gemittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strommessung mittels einer jeweiligen Strommesseinrichtung (4, 5; 4', 5') eine Messspannung (U_S) verarbeitet wird, die in Abhängigkeit von dem jeweils zu messenden Phasenstrom (i_j) an einem der Strommesseinrichtung (4, 5; 4', 5') zugeordneten Widerstand (1) abfällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') im Betrieb des Umrichters (U) wiederkehrend kalibriert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur von Messfehlern die zur Messung eines Phasenstromes (i_j) dienenden Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') einzeln kalibriert werden, während sich mindestens eine weitere zur Messung des einen Phasenstromes (i_j) dienende Strommesseinrichtung im Messbetrieb befindet.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Messfehler eine Offset-Verschiebung und/oder ein Verstärkungsfehler der jeweiligen Strommesseinrichtung (4, 5; 4', 5') durch Kalibrierung korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Strommesseinrichtung (4, 5; 4', 5') während ihrer Kalibrierung für die Strommessung deaktiviert ist, also keine Messwerte des zugehörigen Phasenstromes (i_j) ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung (4, 5; 4', 5') eine Kalibrierspannung (U_K) verarbeitet wird, die separat von der Messspannung (U_S) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer jeweiligen Strommesseinrichtung (4, 5; 4', 5') Umschaltmittel (3; 3') zugeordnet sind, mittels derer wahlweise die Messspannung (U_S) oder die Kalibrierspannung (U_K) einer Verarbeitung in der Strommesseinrichtung (4, 5; 4', 5') zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich der Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') im Messbetrieb einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich der Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') jeweils zwischen mindestens zwei vorgegebenen Messbereichen umschaltbar ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich von Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5'), die den Phasenstrom (i_j) am selben Ausgang des Umrichters (U) messen, abwechselnd umgeschaltet wird, so dass während des Umschaltens des Messbereiches einer Strommesseinrichtung (4, 5) mindestens eine andere Strommesseinrichtung (4', 5') weiterhin den Phasenstrom (i_j) misst.
Verfahren nach Anspruch 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kalibrieren der Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') als Kalibrierspannung (U_K) eine Referenzspannung (U_ref) verwendet wird, die innerhalb sämtlicher für die Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') einstellbarer Messbereiche liegt.
Vorrichtung zur Strommessung an einem Umrichter, mit einer Mehrzahl Strommesseinrichtungen, die zur Messung des jeweiligen Phasenstromes (i₁, i₂, i₃) an je einen Ausgang des Umrichters (U) geschaltet sind, um anhand der gemessenen Phasenströme eine dem Umrichter (U) zugeordnete Regeleinrichtung zu betreiben,
dadurch gekennzeichnet,
dass hinter einen jeweiligen Ausgang des Umrichters (U) mindestens zwei Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') geschaltet sind, die unabhängig voneinander den zugehörigen Phasenstrom (i_j) messen, so dass zur Bestimmung des jeweiligen Phasenstromes die Messergebnisse beider Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5') herangezogen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtungen (4, 5; 4', 5'), an denen jeweils der eine Phasenstrom (i_j) gemessen wird, parallel zueinander geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, ausgebildet und vorgesehen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.